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Diseño y simulación de inversor monofásico en puente completo modulado mediante PWM para un sistema fotovoltaico

De
218 pages

El objetivo principal de este proyecto es el desarrollo de un inversor de corriente y tensión para un sistema de placas fotovoltaicas, con sus correspondientes sub-sistemas. Un inversor es un dispositivo de potencia que convierte la corriente continua en corriente alterna, esta conversión es necesaria para poder inyectar la corriente producida por un sistema de placas solares, en la red eléctrica. Dichas células fotovoltaicas producen una señal eléctrica formada por una única componente continua, pero sin embargo las redes de transporte de energía eléctrica funcionan mediante corriente alterna. Esto es debido en gran medida a que las ondas eléctricas sinusoidales, son muy fácilmente convertibles mediante elementos transformadores, relativamente simples y sencillos de fabricar, por medio de núcleos ferromagnéticos y arrollamiento de bobinados. También es más eficiente el transporte de energía por medio de ondas, como se pude observar en la naturaleza, donde la eficiencia energética es fundamental. Esto representa una gran ventaja respecto a las señales continuas en el tiempo. El proyecto a desarrollar esta compuesto por diferentes sistemas. Los algoritmos a desarrollar son los siguientes: • Sistema generador de señal PWM para el control del puente inversor. • Algoritmo para el seguimiento del punto de máxima potencia (MMP). • Lector instantáneo de la frecuencia de red, para retrocontrolar la frecuencia de la onda inyectada a la misma. • Filtro LC. Para el desarrollo del sistema inversor se usara un inversor de puente completo con transistores bipolares de puerta aislada (IGBT´s), el control del puente será mediante modulación PWM. Es importante que la corriente sea inyectada a una frecuencia igual a la de la red. La frecuencia de red en Europa son 50 Hercios, pero esta frecuencia debido a las perturbaciones eléctricas, sufre una constante variación. Por esta razón se debe hacer una lectura, en tiempo real, de la frecuencia del sistema eléctrico al que se encuentre conectado el sistema fotovoltaico para así poder regular el inversor a dicha frecuencia. Para maximizar el rendimiento de un panel fotovoltaico es importante que este funcione alrededor del punto de máxima potencia. Este punto de funcionamiento de la placa se consigue para una tensión y voltaje específicos, que vendrán establecidos en función de las curvas V-I Y P-V de la placa. Este seguimiento del punto de máxima potencia se va a realizar mediante un algoritmo basado en el método de “Perturbación y Observación orientado”. Este método se basa en la observación de la potencia generada por el panel, para conseguir que esta potencia cedida sea máxima, a continuación se varía la tensión de referencia en un sentido u otro (aumentar la tensión de referencia o disminuirla), si se observa un crecimiento en la potencia generada se mantiene el sentido del incremento y si no se invierte. El diseño de todos los sistemas se realizará mediante el programa VisSim, y como hardware inicialmente se empleo el DSP TMS320LF2407, controlador de punto fijo de 16 bits. Pero el diseño original incluía multitud de variables que precisaban de un controlador de coma flotante, por lo que finalmente se ha remplazado la tarjeta original por esta DSP: TMDXEZ28335, que es un controlador en coma flotante, también de Texas Intruments pertenecientes ambos a la familia C2000.
Ingeniería Técnica en Electrónica
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID






ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA
ELECTRÓNICA
GSEP

PROYECTO FIN DE CARRERA

INGENIERÍA INDUSTRIAL:
AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL



DISEÑO Y SIMULACIÓN DE INVERSOR MONOFÁSICO EN
PUENTE COMPLETO MODULADO MEDIANTE PWM PARA
UN SISTEMA FOTOVOLTAICO





DIRECTOR: D. Pedro José Débora Gómez
AUTOR: D. Marco A. Luna Merino
LEGANÉS, Febrero 2010 Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM



1.Índice de capítulos:
0. Objetivos del proyecto...............................................................................................1
1. Energía solar fotovoltaica.........................................................................................3
1.1. Principios de funcionamiento............................................................................5
1.2. Aplicaciones de las instalaciones de paneles fotovoltaicos..............................6
1.2.1.Grupo 1: Instalaciones aisladas de la red eléctrica...............8
1.2.2. Grupo 2: Instalaciones conectadas a la red eléctrica.......10
1.3. Ventajas e inconvenientes del uso de la energía solar fotovoltaica..............10
1.3.1. Ventajas................................................................................10
1.3.2. Incovenientes........................................................................10
1.3.3. Barreras para su desarrollo................................................10
1.4. Producción mundial de energía solar fotovoltaica........................................12
1.5. Situación actual en España..............................................................................14
1.6. ¿Cuánto cuesta la energía solar?....................................................................17
1.7. Principio físico del funcionamiento de células fotovoltaicas........................19
1.7.1. La unión p-n.........................................................................19
1.7.2. Efecto fotoeléctrico..............................................................21
1.7.2.1.Antecedente......................................................................................23
1.7.2.2.Explicación científica.......................................................................25
1.7.2.3.Las leyes de la emisión fotoeléctrica..............................................26
1.7.2.4.Formulación matemática................................................................26
1.7.2.5.Efecto fotoeléctrico en la actualidad..............................................28
1.8. Los problemas del Silicio.................................................................................20
2. Desarrollo del inversor............................................................................................29
2.1. Software empleado para el diseño .................................................................32
2.2. Code Composer Studio ...33
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM

2.3. VisSim................................................................................................................34
2.4. Características de VisSim................................................................................35
2.4.1. VisSim/Fixed Point ... ...35
2.4.2. Bloques de periféricos.........................................................35
2.4.3. Bloques TI C2000 Digital Motor Control (DMC).............35
2.4.4. Generación automática de código C..................................36
2.4.5. Retención de la GUI VisSim...............................................36
2.4.6. Plug-in VisSim-Code Composer Studio (CCS).................36
2.4.7. Soporte de TI C2000 CAN Bus....... ................................36
2.4.8. Soporte de displays LCD.....................................................36
2.4.9. Soporte de Flash Burn ........................................................36
2.5. Librerías y herramientas complementarias de VisSim 37
2.5.1. VisSim/Comm (Communication Systems Design
Software) ... 38
2.5.2. VisSim/DPCS (Dynamic Production Control
Simulator) . 38
2.6. Bloques de VisSim empleados durante el diseño..........................................39
2.6.1. Bloques aritméticos..............................................................39
2.6.2. Bloques Booleanos de comparación...................................40
2.6.3. Bloques de operación Booleanos........................................40
2.6.4. Bloques transcendentales....................................................41
2.6.5. Bloques de constantes..........................................................41
2.6.6. Bloque interruptor...............................................................42
2.6.7. Bloque dysplay.....................................................................42
2.6.8. Agrupación de elementos de bloques compuestos............43
2.6.9. Bloques de señales prediseñados........................................44
2.6.10. Bloque Slider........................................................................45
2.6.11. Bloque de señal rampa........................................................45
2.7. Hardware empleado para el diseño................................................................47
2.7.1. Microprocesadores ( P) y microcontroladores ( C) ...50
2.7.2. DSP´s.....................................................................................50
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &? & & & & & & & & & & & & & & & &? & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM

2.7.3. Componentes principales en la arquitectura de los
DSP¨s........................................................................................52
2.7.4. Arquitectura Harvard.........................................................54
2.7.5. Ventajas y desventajas de los DSP´s..................................56
2.8. Especificaciones del diseño..............................................................................58
2.9. Características de la familia C2000 de Texas instruments .......................60
2.9.1. Familia TMS320C2000 ........60
2.10. Punto fijo Vs. punto flotante.................................................................64
2.10.1. Coma flotante de precisión simple. 32 bits........................65
2.10.2. Coma flotante de precisión doble. 64 bits..........................66
2.10.3. Problemas con el diseño del inversor.................................67
2.10.4. Ventas y desventajas del uso de procesadores de punto fijo
o coma flotante.........................................................................68
2.10.4.1. Precisión......................................................................................70
2.10.4.2. Margen dinámico........................................................................70
2.10.4.3. Relación señal-ruido...................................................................70
2.10.4.4. Consumo, precio, y velocidad de procesado............................71
2.11. Elementos de una instalación fotovoltaica ...71
2.11.1. Radiación solar .71
2.11.2. Placas fotovoltaicas ...............72
2.11.3. Conexiones en paralelo y serie .73
2.11.4. Inversor .. ....74
2.11.5. Cuadro de protecciones ........75
2.11.6. Interruptor general . ..75
2.11.7. Contadores ....76
2.11.8. Embarrado, fusibles y Cableado .76
2.11.9. Sistema de almacenamiento .77
2.12. Consideraciones generales para la conexión del sistema a una red
eléctrica ..79
2.12.1. Tensión de rizado en la salida del inversor 79
2.12.2. Aislamiento galvánico en instalaciones solares .82
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM


3. Diseño del inversor PWMS...................................................................................84
3.1. Elección del inversor........................................................................................85
3.2. Aplicaciones del inversor.................................................................................88
3.3. Topologías de inversores 89
3.3.1. Inversores de onda cuadrada ..... ..92
3.3.2. Inversor controlado por PWM unipolar ....... .94
3.3.3. Inversor controlado por PWM bipolar .. ....... 97
3.3.4. IGBT´s...............................................................................99
3.4. Montaje del inversor en puente completo y modulación PWM.................104
3.4.1. Introducción.......................................................................104
3.4.2. Configuración.....................................................................107
3.5. Algoritmo desarrollado para el seguimiento del punto de máxima
potencia............................................................................................................113
3.5.1. Necesidad de trabajar en el punto de máxima
potencia..................................................................................113
3.5.2. P&O ORIENTADO.......................................................119
3.5.3. Método de la conductancia incremental..........................124
3.5.4. Algoritmo diseñado para el seguimiento del punto de
máxima potencia....................................................................128
3.6. Algoritmo para el desarrollo de las señales de control mediante el control
PWM (por ancho de pulso sinusoidal)..........................................................135
3.6.1. Señal sinusoidal..................................................................136
3.6.2. Señal triangular.................................................................139
3.7. Demodulación y filtrado................................................................................138
3.8. Analizador de redes.......................................................................................144
4. Simulaciones...........................................................................................................149
5. Conclusión...........................................................................................................161
6. Trabajos futuros....................................................................................................164
7. Bibliografía y consultas electrónicas....................................................................166
8. Anexos.....................................................................................................................170
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM


2.Índice de Figuras

Fig.1. 1: Mapa de la distribución de las densidades energéticas de radiación solar........12
Fig.1. 2: Fuente: INM. Radiación Media Diaria. Generado a partir de isolíneas de
radiación solar global anual sobre superficie horizontal .................................13
Fig.1. 3: Fabricación mundial de células FV, en el 2007 ........................14
Fig.1. 4: Potencia fotovoltaica instalada en España, tanto aislada como conectada a la
red....................................................................................................................................16
Fig.1. 5: Costos y beneficios que producirían tres instalaciones fotovoltaica .............18
Fig.1. 6: Esquema del funcionamiento de la unión PN ...................19
Fig.1. 7: Diagrama del efecto fotoeléctrico . 22
Fig. 2. 1: Bloques aritméticos ..... .39
Fig. 2. 2: Bloques de Comparación ........... ..40
Fig. 2. 3: Bloques de operaciones Booleanos .40
Fig. 2. 4: Bloques transcendentales .........................................41
Fig. 2. 5: Bloque de constantes .......... ..41
Fig. 2. 6: Bloque interruptor ........... .42
Fig. 2. 7: Agrupación de elementos 42
Fig. 2. 8: Bloques prediseñados .............. .43
Fig. 2. 9: Bloque slider .... 44
Fig. 2. 10: Ejemplo de implementación de función matemática con VisSim ........ .46
Fig. 2. 11: Esquema general de un microprocesador ........... 48
Fig. 2. 12: Esquema general de un microcontrolador ..... .49
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM

Fig. 2. 13: Esquema básico de un DSP ....... .50
Fig. 2. 14: Arquitectura Harvard .........54
Fig. 2. 15: Esquema general del diseño del inversor ... 59
Fig. 2.16: Esquema TMS320F28335 ............ ..62
Fig. 2. 17. Estructura binaria de coma flotante de 32 bits ...................... .65
Fig. 2. 18: Estructura binaria de coma flotante de 64 bits ........... 66
Fig. 2. 19: Tabla de precisiones coma flotante y punto fijo ........ 69
Fig. 2. 20: Radiación solar incidente sobre una placa solar fotovoltaica ... .71
Fig. 2. 21: Esquema general del diseño del inversor.......................................................81
Fig. 3. 1: Tipos de convertidores.....................................................................................85
Fig. 3. 2: Esquema simplificado de un inversor..............................................................86
Fig. 3.3: Topología de inversor en puente completo.......................................................92
Fig. 3.4: Eliminación del tercer armónico.......................................................................93
Fig. 3.5: Algoritmo de señales de control en VisSim......................................................94
Fig. 3.6: Modulación PWM unipolar...............................................................................95
Fig. 3.7: Contenido Logarítmico de Armónicos en modulación PWM unipolar...........96
Fig. 3.8: Contenido de Armónicos en modulación PWM unipolar................................96
Fig. 3.9 Contenido de Armónicos en modulación PWM bipolar...................................97
Fig. 3.10: Contenido logarítmico de Armónicos en modulación PWM bipolar.............98
Fig. 3.11: Filtrado logarítmico de Armónicos en modulación PWM unipolar...............99
Fig. 3.12: Filtrado de Armónicos en modulación PWM unipolar................................100
Fig. 3.13: Esquema de filtro de Armónicos en modulación PWM unipolar................101
Fig. 3.14: Filtrado logarítmico de Armónicos en modulación PWM unipolar.............102
Fig. 3.15: Filtrado logarítmico de Armónicos en modulación PWM bipolar...............103
Fig. 3.15: esquema de filtro de Armónicos en modulación PWM unipolar.................103
Fig. 3. 16: Triangulo de potencias.................................................................................108
Fig. 3. 17: Pirámide de potencias: S = P + Q + D.........................................................109
Fig. 3. 18: Representación de las señales muduladora y portadora...............................110
Fig. 3. 19: Esquema básico del inversor........................................................................111
& & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM

Fig. 3.20: Control de disparo de los transistores...........................................................111
Fig. 3. 21: Características P-V de un panel fotovoltaico...............................................114
Fig. 3. 22: Características I-V de un panel fotovoltaico................................................116
Fig. 3. 23: Curva P-V de un panel fotovoltaico.............................................................119
Fig. 3.24 Esquema de bloques del sistema....................................................................120


Fig. 3.25: Tabla de la ley de control de P&I orientado.................................................125
Fig. 3.26: Diagrama de flujo del método P&O orientado..........................................123
Fig. 3.27: Diagrama de flujo del método de la conductancia incremental....................127
Figura 3.16. Características P-V de un panel fotovoltaico............................................128
Fig. 3.28: Demostración gráfica del método de búsqueda del MPP..............................130
Fig. 3.29: Demostración gráfica del método de bdel MPP..............................131
Fig.3.30: Tabla de correspondencia de variables reales de un panel fotovoltaico y la
simulación mediante VisSim.........................................................................................132
Fig. 3.30: diagrama de bloques que representa la parábola retrasada una unidad de
tensión respecto a la parábola original..........................................................................133
Fig. 3.31. Diagrama de bloques que representan las dos parábolas a comparar...........134
Fig. 3.32: Puente inversor..............................................................................................135
Fig.3. 33: Generador de señales sinusoidales................................................................138
Fig.3. 34: Diagrama de bloques de la señal triangular..................................................140
Fig.3. 35: Cuatro señales de control PWM para cada uno de los transistores del puente
completo........................................................................................................................142
Fig. 3.36: Señal sin filtrar y filtrada...............................................................................143
Fig. 3.37: Esquema del PLL..........................................................................................145
Fig 3.38: Lector de frecuencia instantánea de la red eléctrica.......................................147





Diseño y Simulación de Inversor Monofásico Para un Sistema Fotovoltaico en
Puente Completo Modulado mediante PWM




Diseño y Simulación de un Inversor Monofásico en
Puente Completo Modulado mediante PWM Para un Sistema de placas Fotovoltaico









0. Objetivos del proyecto

En este capítulo se exponen los diferentes objetivos perseguidos durante la
realización de este Proyecto, y la manera en que se ha afrontado el alcance de dichos
objetivos, tanto en la parte que al diseño se refiere como en la implementación del
mismo, y de los medios empleados.








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